DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA   PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA EL PROCESO DE TREFILADO EN FRÍO DE METALES NO FERROSOS A SER IMPLEMENTADO EN EL LABORATORIO DE MÁQUINAS Y HERRAMIENTAS DEL DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA” ELABORADO POR: BETANCOURT AZA LUIS GABRIEL GUACHAMÍN TORRES JUAN PEDRO DIRECTOR: ING. XAVIER SÁNCHEZ CODIRECTOR: ING. EMILIO TUMIPAMBA

OBJETIVO GENERAL Diseñar y Construir una trefiladora didáctica de materiales no ferrosos, para ser implementado en el laboratorio de Procesos de Manufactura, y de este modo poder experimentar y observar el proceso de trefilado.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Investigar los diferentes materiales no ferrosos que pueden ser trefilados. Investigar la disponibilidad de los materiales y su proceso de fabricación de la hilera para la trefilación. Seleccionar la mejor alternativa del sistema de sujeción y sistema motriz, para realizar el diseño básico del equipo de trefilado. Investigar el tipo de lubricante para ser implementado en el proceso de trefilado. Diseñar y construir los subcomponentes del equipo de trefilado. Realizar pruebas mecánicas a las barras antes y después del proceso de trefilado.

INTRODUCCIÓN En la actualidad la Universidad de las Fuerzas Armadas cuenta con laboratorios de calidad, como el Laboratorio de Procesos de Manufactura, en el cual se realizan prácticas académicas en los procesos de: soldadura, mecanizado, conformado y prototipado. Y debido al acelerado avance tecnológico, obliga a que la preparación de los estudiantes sea cada vez más integral, razón por la que la carrera de Ingeniería Mecánica plantea diseñar y construir un equipo de trefilado de materiales no ferrosos para reforzar de una forma práctica los conocimientos adquiridos teóricamente y así mejorar la formación profesional de los estudiantes.

CONFORMADO EN FRÍO

VENTAJAS DEL TRABAJO EN FRÍO Proporciona una mejor precisión, es decir tolerancias estrechas. Proporciona un mejor acabado superficial. El endurecimiento por deformación aumenta la resistencia y la dureza del producto a ser elaborado. Como no se requiere un previo calentamiento a la materia prima, los costos son bajos. Debido a estas ventajas se han creado varios procesos de formado en frío para producir diversos productos en masa, como varillas, ángulos, alambre, y otros perfiles.

DESVENTAJAS DEL TRABAJO EN FRÍO Se requiere más potencia y fuerza para desempeñar las operaciones. La ductilidad y el endurecimiento por deformación del metal de trabajo, limita la cantidad de formado que se puede hacer sobre la pieza.

EFECTOS DEL TRABAJO EN FRÍO Endurecimiento Por Deformación Cuando un material se deforma plásticamente en frío, los granos se modifican según la dirección de flujo plástico, es decir la deformación plástica produce un aumento en el número de dislocaciones esto se conoce como endurecimiento por deformación, o acritud, o bien endurecimiento por trabajo en frío, de esta manera un material dúctil tiene los siguientes efectos después de la deformación: Incremento de la resistencia a la tracción Incremento de la Fragilidad Incremento de la Dureza Disminuye la ductilidad y elasticidad.

TREFILADO

FASES DEL PROCESO DE TREFILADO LIMPIEZA AFILADO RECOCIDO APLICACIÓN LUBRICANTE MECANIZADO EN FRÍO

PARTES DE UN EQUIPO DE TREFILADO Bastidor Sistema de extracción Sistema Motriz Sistema de Lubricación Mesa soporte equipo Panel de Control

ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS Materia prima para la trefilación. Material del dado de trefilado. Lubricante para el proceso de trefilación Mecanismo de sujeción del material a ser trefilado Sistema motriz para la extracción del material

ALTERNATIVAS: MATERIA PRIMA PARA LA TREFILACIÓN Alternativa 1: Cobre electrolítico 99,90% Alternativa 2: Aluminio Comercial Alternativa 4: Bronce dulce (Latón)

SELECCIÓN DE LA MATERIA PARA TREFILAR Factores de ponderación de los criterios de selección P: Puntaje de criterio W.F.: Factor de ponderación

SELECCIÓN DE LA MATERIA PARA TREFILAR R.F.: Factor de evaluación

CONCLUSIÓN Cobre Electrolítico Aluminio comercial De acuerdo a la tabla de alternativas los materiales mas factibles a trefilar son: Cobre Electrolítico Aluminio comercial Prueba

MATERIAL DEL DADO DE TREFILADO Alternativa 1: Dados de Carburo de Tungsteno Alternativa 2: Dados de Diamante Policristalino Alternativa 3: Dados en Acero K100

MATERIAL DEL DADO DE TREFILADO W.F.: Factor de ponderación R.F.: Factor de evaluación

CONCLUSIÓN Al analizar las diferentes alternativas, ventajas, desventajas y cuadro de calificación se llega a la siguiente conclusión: Los dados de trefilación serán de Acero K-100

LUBRICANTE PARA EL PROCESO DE TREFILACIÓN Alternativa 1: Grasa Mobilith SHC™ 007 Alternativa 2: Emulsión de aceite (ISO 32)

LUBRICANTE PARA EL PROCESO DE TREFILACIÓN W.F.: Factor de ponderación R.F.: Factor de evaluación

CONCLUSIÓN Al analizar las alternativas, beneficios, se llega a la conclusión de utilizar aceite ISO 32 como lubricante para el proceso de trefilado.

MECANISMO DE SUJECIÓN DEL MATERIAL HACER TREFILADO. Alternativa 1: Mandril porta-brocas Alternativa 2: Sujeción mediante mordaza Alternativa 3: Por soldadura

MECANISMO DE SUJECIÓN DEL MATERIAL HACER TREFILADO. W.F.: Factor de ponderación R.F.: Factor de evaluación

CONCLUSIÓN Debido al excelente agarre que proporciona la mordaza se selecciona esta alternativa como medio de sujeción del la barra a trefilar.

SISTEMA MOTRIZ PARA LA EXTRACCIÓN DEL MATERIAL Alternativa 1: Sistema motriz, por Winche Alternativa 2: Sistema motriz, por Tornillo de potencia Alternativa 3: Sistema motriz, por Cadena

SELECCIÓN SISTEMA MOTRIZ W.F.: Factor de ponderación R.F.: Factor de evaluación

CONCLUSIÓN De acuerdo con la tabla de selección el sistema mas conveniente a utilizar es por medio del winche, debido a su buena eficiencia, bajo costo y un montaje y desmontaje ágil y rápido.

MATERIAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA MESA Y DEMÁS PARTES QUE CONFORMAN EL EQUIPO DE TREFILADO. Acero ASTM A 36 Acero ASTM A 500 C AISI 1018 CD AISI 1045 HR

PROPIEDADES MATERIALES A UTILIZAR

ELECTRODO A USARSE EN LA CONSTRUCCIÓN DE LA MESA Y DEMÁS PARTES QUE CONFORMAN EL EQUIPO DE TREFILADO. Electrodo E7018 Electrodo E6011

PROPIEDADES ELECTRODOS

DISEÑO DEL EQUIPO DE TREFILADO A partir de esta sección los factores de seguridad van a ser: >1.5 tomando en cuenta que el factor de seguridad es solo una guía para tener un punto de partida en el diseño y obviamente queda sujeto al juicio del diseñador, en la Tabla 5.8, se presenta algunos criterios de factores de seguridad.

DISEÑO DEL EQUIPO DE TREFILADO DISEÑO HILERA DE TREFILADO Siendo el dado la herramienta de trabajo en el proceso de trefilado, es importante tomar en cuenta los diferentes parámetros en el diseño para su mejor aprovechamiento

SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL DADO

DIMENSIONAMIENTO DEL NÚCLEO Y ENCAJADURA Para escoger los parámetros de la geometría del dado se necesita el diámetro a ser trefilado y con esto ingresamos a la siguiente tabla.

DIMENSIONAMIENTO DEL NÚCLEO Y ENCAJADURA Diámetro del núcleo (a): 30 mm Altura del núcleo (b): 24 mm Diámetro de la encajadura (D): 75 mm Altura de la encajadura (H): 40 mm

PARÁMETROS DE LA GEOMETRÍA DEL NÚCLEO El primer parámetro a elegir es 2α, este ángulo se debe elegir en función de la deformación ideal del material 2α° para el Aluminio: 24° 2α° para el Cobre: 22° Ángulo de entrada: 60° Ángulo de salida (2β°): 40° Anillo de calibración: Aluminio: 3.3 mm Cobre: 3.7 mm

PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL DADO Parámetro Delta (Δ) Presión del dado Factor de seguridad del dado

PORCENTAJE DE TRABAJO EN FRÍO

FUERZA DE TREFILADO

CÁLCULO POTENCIA REQUERIDA PARA EL TREFILADO

DISEÑO DEL BASTIDOR El bastidor sirve de almacenamiento del lubricante para la trefilación, a la vez que sirve de soporte de la caja porta hileras, debe ser lo suficiente- mente rígida y estable para facilitar la opera- ción de trefilado.

PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL BASTIDOR  Cálculo del espesor de las planchas del bastidor Selección de pernos para sujetar el bastidor

DISEÑO DE LA CAJA PORTA HILERAS Esta caja sirve de alma- cenamiento y sujeción del dado de trefilado, a la vez que sirve como caja de al- macenamiento de refrige- rante, debe ser lo suficien- temente rígida y estable para facilitar la operación de trefilado.

PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA CAJA PORTA HILERAS  Cálculo del número de pernos Cálculo de factores de seguridad

DISEÑO SISTEMA MOTRIZ POR WINCHE ELÉCTRICO

CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD DEL TUBO τ adm = T∗c J σ adm = M∗c I

CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD DEL TUBO σ ∙ = σ adm 2 +3∗ τ adm 2 FS tubo = S y500 σ ∙

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA JUNTA POR SOLDADURA EN EL WINCHE

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DEL CABLE DE ACERO Seleccionamos un cable de acero de grado 4 con resistencia nominal a la tracción (Syalam = 1764 Mpa) Factor de seguridad de n = 6. d = 6.4 mm

DISEÑO ACOPLE EJE MOTOR Y CARRETE

SELECCIÓN DE LA CHUMACERA C 10 = F D ∗ L D n D 60 L 10 1 a C 10 =4∗ 5000∗21∗60 1𝑥10 6 1 3 C 10 =7,38 KN

SELECCIÓN DE LA CHUMACERA C 10 calculado< C 10 Teórico

SISTEMA DE EXTRACCIÓN

DISEÑO DE LA MESA PARA EL EQUIPO DE TREFILADO

CARGA A SER APLICADA EN LA MESA

CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD DEL ESPESOR DE LA PLACA BASE

CÁLCULO FACTOR DE SEGURIDAD Y DIMENSIONES DEL CUADRO SUPERIOR DE LA MESA La carga a aplicar en los tubos es de 901.41 N + peso placa de 1500X400X6 = 1177.63 N, pero, como es una carga distribuida es por unidad de longitud, por lo tanto la carga es 785.08 N/m, en la Figura 5.25 se presenta el cortante y momento máximo para el cálculo de los respectivos esfuerzos.

CÁLCULO FACTOR DE SEGURIDAD Y DIMENSIONES DEL CUADRO SUPERIOR DE LA MESA

CÁLCULO DEL FACTOR DE SEGURIDAD EN LAS SOLDADURAS DE LA MESA

CONSTRUCCIÓN, FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS

PRUEBA DE TREFILACIÓN A VARIAS VELOCIDADES PRUEBAS RESULTADOS

ENSAYOS REALIZADOS A LAS BARRAS TREFILADAS ENSAYO DE TRACCIÓN ENSAYO DE DUREZA ENSAYO DE ANÁLISIS METALOGRÁFICO

CONCLUSIONES Se ha logrado cumplir con el objetivo de diseñar y construir un equipo para el proceso de trefilado en frio de metales no ferrosos, logrando grandes resultados al obtener una eficiencia mecánica del 65.09%. El equipo fue probado en su totalidad realizando pruebas a 40 barras de aluminio de Ø 7.20 mm y 20 barras de cobre recocido de Ø 8.00 mm de 350 mm de longitud para todas las barras, a varias velocidades, obteniendo como velocidad máxima de trefilado 0.05 m/s. Al investigar el material para la construcción del núcleo del dado se encontró que el tungsteno es ideal para realizar el proceso de trefilado, pero es un material que no se encuentra en el mercado nacional, por tal motivo se seleccionó un acero K100 tratado térmicamente con una dureza de 62 HRC Todas las opciones de metales no ferrosos, para su producción y posteriormente su distribución son conformadas en frío y posteriormente tratadas térmicamente, por tal motivo se realizó un recocido (a 350° C durante un hora para el cobre) para librar tensiones y de esta forma poder utilizar en nuestro proyecto.

CONCLUSIONES Al investigar el tipo de lubricante para el proceso de trefilado se concluye que este depende del material a trefilar, de la velocidad, de la forma de lubricar, y de la disponibilidad en el mercado nacional, de esta manera se selecciona un aceite ISO 32 como lubricante. Al realizar el proceso de trefilado con un trabajo en frío del 15 % para las barras de cobre recocido y aluminio Prodax se obtuvo un incremento del 13 % y 19% en su resistencia a la rotura respectivamente y del 44 % 10% en su dureza pero disminuyendo su alargamiento un 65% y 45%. De esta forma se cumple con los efectos de trefilado que son los siguientes: Incremento de la resistencia del material Aumento de la dureza del material Disminución del porcentaje de alargamiento El equipo de trefilado de metales no ferrosos realiza un trabajo en frio máximo del 20% para barras de cobre recocido y aluminio Prodax de diámetro entre 6 - 8 mm y una longitud máxima de 500 mm, obteniendo un excelente acabado superficial y optimas propiedades mecánicas.

RECOMENDACIONES El bastidor debe estar alineado tanto horizontal como verticalmente de tal forma que la barra corra perpendicular al dado. El equipo de trefilado realiza el conformado en frío solo para metales no ferros de un diámetro estándar de 7 a 8 mm y una longitud máximo 500 mm y con un trabajo en frio máximo del 20%. Si la calidad de la superficie de la barra se está deteriorando o la ovalización es demasiado grande se deben enviar los núcleos de acero K100 a rectificar. Para realizar el trefilado de barras de cobre es recomendable realizar un recocido para aliviar las tensiones y facilitar el proceso de conformado. Prevenir la presencia de agua o impurezas en el aceite lubricante y verificar el normal funcionamiento de la bomba de lubricación, ya que el lubricante protege las hileras y realza la superficie del producto acabado.